CN104993483B - 一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法 - Google Patents

Abstract

一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法：读入电力系统任一时间断面的网络拓扑数据和实时潮流数据；将电力系统抽象为由节点集和边集组成的有向加权图网络；根据有向图网络节点的度情况，将节点集分成源节点集、汇节点集和中间节点集；对网络的源节点和汇节点进行分裂处理；求取网络的可达矩阵，确定每一个源节点可达的汇节点子集；对网络中的每一个源节点，采用深度优先遍历方法，搜索从该源节点至可达汇节点子集的全部有向路径；基于不同源节点至可达汇节点子集的有向路径间是否存在相交路径，实施输电通道的新增与归并；确定辨识出的输电通道的分支路径。本发明可对电力系统不同时间断面进行动态辨识，有效评估其运行状态，为电网调度提供有效的信息支持。

Description

一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法

技术领域

本发明涉及一种输电通道动态辨识方法。特别是涉及一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法。

背景技术

随着经济社会的不断发展，电力负荷需求快速增长，使得电力系统规模逐渐扩大，网架结构日益复杂，高压直流输电、灵活交流输电等技术获得快速发展和应用；而由于一次能源和负荷的分布不均，大量电能从发电区域经由输电网络传输至负荷区域，大规模可再生能源接入电网给电力系统的运行和控制带来诸多变化。在复杂互联系统的实际运行过程中，可再生能源出力的不确定性、高压直流输电的控制功率及系统负荷需求等随着运行方式的不同而灵活多变，系统潮流在较短的时间内易出现大范围的波动，系统送端区域至受端区域之间的输电路径集合所构成的输电通道不断变化，此时单纯依靠运行经验已不足以准确判别网络中的潮流分布形态和薄弱环节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可快速准确辨识系统中全部送受端关系，确定送端区域至受端区域的输电通道，帮助有效评估系统运行状态的基于实时潮流的输电通道动态辨识方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，括如下步骤：

1)读入电力系统任一时间断面的网络拓扑数据和实时潮流数据；

2)基于步骤1)的数据，将电力系统抽象为由节点集V和边集B组成的有向加权图网络D＝{V,B}；

3)根据有向图网络节点的度情况，将节点集V分成源节点集S、汇节点集E和中间节点集M；

4)对网络的源节点和汇节点进行分裂处理；

5)求取网络的可达矩阵Q，确定每一个源节点s_i可达的汇节点子集E_i；

6)对网络中的每一个源节点s_i，采用深度优先遍历方法，搜索从该源节点至可达汇节点子集E_i的全部有向路径；

7)基于不同源节点至可达汇节点子集的有向路径间是否存在相交路径，实施输电通道的新增与归并；

8)确定步骤7)辨识出的输电通道的分支路径。

步骤2)所述的将电力系统抽象为有向加权图网络具体为：

有向加权图网络D中的节点集V＝{v₁,v₂,…,v_n}由电力系统中的拓扑节点抽象而成，其中n为节点数；边集B＝{b₁,b₂,…,b_m}由输电线路和变压器支路元件抽象而成，其中m为边数，在边的形成过程中，合并两节点间的多回同杆并架支路，不考虑并联导纳支路，以剔除网络的多重边和自环；边的权重为输电线路和变压器支路的有功潮流大小，边的方向与支路有功潮流方向一致；为表示节点间的连接关系，网络的邻接矩阵为A＝[a_ij]_n×n，其中，对于网络中的任意节点v_i,v_j∈V，若存在有功潮流由节点v_i流向节点v_j的支路，则令a_ij＝1，否则a_ij＝0。

步骤3)中：

所述的源节点集S为网络中入度为0的节点，由系统中不含功率注入支路的发电机节点组成；

所述的汇节点集E为网络中出度为0的节点，由系统中不含功率流出支路的负荷节点及联络节点组成；

所述的中间节点集M为网络中入度和出度均不为0的节点。

步骤4)所述的源节点和汇节点分裂处理具体为：

若源节点s_i关联k_s条流出支路，其中k_s≥2，则将源节点s_i分裂成若汇节点e_j关联k_e条注入支路，其中k_e≥2，则将汇节点e_j分裂为节点分裂前后各边的权重和方向均保持不变。

步骤5)所述的求取网络可达矩阵Q的具体方法为：

对于有向图网络D＝{V,B}，可达矩阵Q＝[q_ij]_n×n，其中，对于网络中的任意节点v_i,v_j∈V，若节点v_i到v_j可达，则q_ij＝1，否则q_ij＝0；有向图网络D的可达矩阵Q通过邻接矩阵A求取，设矩阵R＝A+A²+…+A^n-1＝[r_ij]_n×n，则将矩阵R中的非零元素替换成1而零元素保持不变，变换后的矩阵即为网络的可达矩阵Q；通过求取可达矩阵Q，确定网络中任一源节点s_i可达的汇节点子集E_i。

步骤7)所述的输电通道具体为：

输电通道p_i定义为网络中源节点子集至汇节点子集间形成的所有有向路径R_Si,Ei，对于其中任意的源节点s_t∈S_i和汇节点e_t∈E_i对s_t,e_t，总能找到点对s_u,e_u，其中s_u∈S_i,e_u∈E_i，使得有向路径R_st,et与有向路径R_su,eu存在路径相交；不同的输电通道由互不相同的源节点子集与汇节点子集构成，任一输电通道为一独立的连通子图，通道中的任一源节点s_t至任一汇节点e_u间可能存在多条可达的有向路径；由此，电力系统经有向图抽象和源流分裂形成的有限个独立连通子图集合P＝{p₁,p₂,…}，为电力系统的输电通道集合，表征系统中送端发电区域与受端负荷区域之间的有向输电路径。

步骤7)所述的输电通道的新增与归并的具体要求为：

搜索源节点s_i至可达汇节点子集E_i的全部有向路径R_si,Ei：

1)若节点v_j∈有向路径R_si,Ei均未被遍历，则将该源节点s_i引出的有向路径R_si,Ei记为一条新的输电通道p_t；

2)若存在节点v_j∈有向路径R_si,Ei已被输电通道p_u遍历，则将有向路径R_si,Ei归并至输电通道p_u；

当网络源节点集S中的所有节点均完成遍历时，系统的输电通道集合P＝{p₁,p₂,…}完成辨识，各输电通道的源节点子集S_i和汇节点子集E_i得到明确。

步骤8)所述的输电通道的分支路径为：在输电通道路径中间节点处由源节点注入或流出至汇节点的一个或若干个节点组成的支路，表征从电力系统中间路径处注入的发电机功率或流出的负荷。

所述的输电通道辨识方法，依据电力系统实时潮流进行快速评估分析，辨识出系统中送端区域与受端区域之间的有向输电路径集合所构成的输电通道，使系统得以解耦简化成若干条输电通道，进而评估系统潜在的安全稳定问题。

本发明的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，是针对电力系统实时潮流进行快速评估分析，辨识出系统送端区域与受端区域之间的输电路径集合所构成的输电通道，以进一步评估系统潜在的安全稳定问题。本发明以电力系统的实时潮流为研究对象，根据复杂网络理论将电力系统抽象为有向加权图网络，并对网络中的源节点和汇节点进行分裂处理，形成了有限个独立连通子图表征的输电通道，从而刻画出网络中送端区域与受端区域之间的输电路径；本发明基于深度优先遍历算法，对网络的输电通道进行了有效辨识，使电力系统解耦简化为若干条输电通道，实现了系统的有效降维分解。本发明的方法可对电力系统不同时间断面，尤其潮流多变运行方式下的系统的输电通道进行动态辨识，从而有效评估其运行状态，为电网调度运行人员提供有效的信息支持，具有很强的实用价值。

附图说明

图1是IEEE 39节点算例的结构图；

图2是本发明基于实时潮流的输电通道动态辨识方法的流程图；

图3是IEEE 39节点算例进行输电通道辨识后的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法做出详细说明。

本发明的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，用于电力系统的运行分析中。本发明以图1所示的IEEE 39节点算例系统为实施例。

如图2所示，本发明的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，包括如下步骤：

1)读入电力系统任一时间断面的网络拓扑数据和实时潮流数据；

2)基于步骤1)的数据，将电力系统抽象为由节点集V和边集B组成的有向加权图网络D＝{V,B}，所述的将电力系统抽象为有向加权图网络具体为：

有向加权图网络D中的节点集V＝{v₁,v₂,…,v_n}由电力系统中的拓扑节点抽象而成，其中n为节点数；边集B＝{b₁,b₂,…,b_m}由输电线路和变压器支路元件抽象而成，其中m为边数，在边的形成过程中，合并两节点间的多回同杆并架支路，不考虑并联导纳支路，以剔除网络的多重边和自环；边的权重为输电线路和变压器支路的有功潮流大小，边的方向与支路有功潮流方向一致；为表示节点间的连接关系，网络的邻接矩阵为A＝[a_ij]_n×n，其中，对于网络中的任意节点v_i,v_j∈V，若存在有功潮流由节点v_i流向节点v_j的支路，则令a_ij＝1，否则a_ij＝0。

3)根据有向图网络节点的度情况，将节点集V分成源节点集S、汇节点集E和中间节点集M，其中，

所述的源节点集S为网络中入度为0的节点，由系统中不含功率注入支路的发电机节点组成；

所述的汇节点集E为网络中出度为0的节点，由系统中不含功率流出支路的负荷节点及联络节点组成；

所述的中间节点集M为网络中入度和出度均不为0的节点。

4)对网络的源节点和汇节点进行分裂处理，所述的源节点和汇节点分裂处理具体为：

若源节点s_i关联k_s条流出支路，其中k_s≥2，则将源节点s_i分裂成若汇节点e_j关联k_e条注入支路，其中k_e≥2，则将汇节点e_j分裂为节点分裂前后各边的权重和方向均保持不变。

5)求取网络的可达矩阵Q，确定每一个源节点s_i可达的汇节点子集E_i，所述的求取网络可达矩阵Q的具体方法为：

对于有向图网络D＝{V,B}，可达矩阵Q＝[q_ij]_n×n，其中，对于网络中的任意节点v_i,v_j∈V，若节点v_i到v_j可达，则q_ij＝1，否则q_ij＝0；有向图网络D的可达矩阵Q通过邻接矩阵A求取，设矩阵R＝A+A²+…+A^n-1＝[r_ij]_n×n，则将矩阵R中的非零元素替换成1而零元素保持不变，变换后的矩阵即为网络的可达矩阵Q；通过求取可达矩阵Q，确定网络中任一源节点s_i可达的汇节点子集E_i。

6)对网络中的每一个源节点s_i，采用深度优先遍历方法，搜索从该源节点至可达汇节点子集E_i的全部有向路径；

7)基于不同源节点至可达汇节点子集的有向路径间是否存在相交路径，实施输电通道的新增与归并，所述的输电通道具体为：

输电通道p_i定义为网络中源节点子集至汇节点子集间形成的所有有向路径R_Si,Ei，对于其中任意的源节点s_t∈S_i和汇节点e_t∈E_i对s_t,e_t，总能找到点对s_u,e_u，其中s_u∈S_i,e_u∈E_i，使得有向路径R_st,et与有向路径R_su,eu存在路径相交；不同的输电通道由互不相同的源节点子集与汇节点子集构成，任一输电通道为一独立的连通子图，通道中的任一源节点s_t至任一汇节点e_u间可能存在多条可达的有向路径；由此，电力系统经有向图抽象和源流分裂形成的有限个独立连通子图集合P＝{p₁,p₂,…}，为电力系统的输电通道集合，表征系统中送端发电区域与受端负荷区域之间的有向输电路径。

所述的输电通道的新增与归并的具体要求为：

搜索源节点s_i至可达汇节点子集E_i的全部有向路径R_si,Ei：

(1)若节点v_j∈有向路径R_si,Ei均未被遍历，则将该源节点s_i引出的有向路径R_si,Ei记为一条新的输电通道p_t；

(2)若存在节点v_j∈有向路径R_si,Ei已被输电通道p_u遍历，则将有向路径R_si,Ei归并至输电通道p_u；

当网络源节点集S中的所有节点均完成遍历时，系统的输电通道集合P＝{p₁,p₂,…}完成辨识，各输电通道的源节点子集S_i和汇节点子集E_i得到明确。

8)确定步骤7)辨识出的输电通道的分支路径，所述的输电通道的分支路径为：在输电通道路径中间节点处由源节点注入或流出至汇节点的一个或若干个节点组成的支路，表征从电力系统中间路径处注入的发电机功率或流出的负荷。

本发明中所述的输电通道辨识方法，依据电力系统实时潮流进行快速评估分析，辨识出系统中送端区域与受端区域之间的有向输电路径集合所构成的输电通道，使系统得以解耦简化成若干条输电通道，进而评估系统潜在的安全稳定问题。

下面结合图1、图3给出具体实例。

1)读入电力系统任一时间断面的网络拓扑数据和实时潮流数据；

对于本实施例，读入图1中所示的IEEE 39节点系统的潮流数据，提取系统的节点及支路构成、各节点的发电及负荷数据、各支路的潮流大小等参数。

2)基于步骤1)的数据，将电力系统抽象为由节点集V和边集B组成的有向加权图网络D＝{V,B}；

本实施例中存在连接关系的两节点间均只含一回支路，故形成由39个节点和46条边构成的有向加权图网络，并生成网络的邻接矩阵A＝[a_ij]_39×39。

3)根据有向图网络节点的度情况，将节点集V分成源节点集S、汇节点集E和中间节点集M；

本实施例中源节点集S的节点数为9，汇节点集E的节点数为6，中间节点集M的节点数为24；本实施例的源节点与汇节点如表1所示。

表1 源节点集与汇节点集

4)对网络的源节点和汇节点进行分裂处理；

对于本实施例，源节点集S中的节点均只含一条流出支路，故无需对源节点进行分裂处理；而汇节点集E中的节点均分别含多个注入支路，由此对汇节点进行分裂处理，分裂情况如表2所示。

表2 汇节点的分裂处理

5)求取网络的可达矩阵Q，确定每一个源节点s_i可达的汇节点子集E_i；

对于本实施例，根据邻接矩阵A求取可达矩阵Q，所得的源节点可达的汇节点子集如表3所示。

表3 源节点可达的汇节点子集

6)对网络中的每一个源节点s_i，采用深度优先遍历方法，搜索从该源节点至可达汇节点子集E_i的全部有向路径；

7)基于不同源节点至可达汇节点子集的有向路径间是否存在相交路径，实施输电通道的新增与归并；

对于本实施例，依次搜索从源节点B30至B38出发的所有可达有向路径，从而明确该系统的输电通道构成，输电通道的搜索顺序及路径构成如表4所示。

表4 IEEE 39节点系统的输电通道辨识

注：加粗的节点名为源节点，加下划线的节点名为汇节点，斜体的节点名为已遍历的节点。

由此可得，本实施例可辨识出三条输电通道p₁,p₂,p₃，输电通道的源、汇及路径构成亦得到明确。

8)确定步骤7)辨识出的输电通道的分支路径。

对于本实施例，系统的输电通道构成如图3所示，其中，输电通道p₁中的有向路径B16-B15、B17-B27、B19-B20为分支路径，分别表示节点15、节点27及节点20处的负荷；输电通道p₁表征发电机30、33、35、36、37、38至负荷4、8、27间的功率传输。输电通道p₂中的分支路径B31-B6表示节点31的发电机功率注入，分支路径B11-B12、B13-B12均表示节点12处的负荷；输电通道p₂表征发电机32至负荷4、8间的功率传输。输电通道p₃表征发电机34至负荷20间的功率传输。由此，本实施例的送端送端区域至负荷受端之间的输电路径得到明确，电力系统解耦简化成若干条输电通道；在工程实际中，使用该法可动态快速分析系统的实时潮流，进而评估系统潜在的安全稳定问题。

Claims (9)

1.一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）读入电力系统任一时间断面的网络拓扑数据和实时潮流数据；

2）基于步骤1）的数据，将电力系统抽象为由节点集V和边集B组成的有向加权图网络D={V, B}；

3）根据有向加权图网络节点的度情况，将节点集V分成源节点集S、汇节点集E和中间节点集M；

4）对网络的源节点和汇节点进行分裂处理；

5）求取网络的可达矩阵Q，确定每一个源节点s _i 可达的汇节点子集E _i ；

6）对网络中的每一个源节点s _i ，采用深度优先遍历方法，搜索从该源节点至可达汇节点子集E _i 的全部有向路径；

7）基于不同源节点至可达汇节点子集的有向路径间是否存在相交路径，实施输电通道的新增与归并；

8）确定步骤7）辨识出的输电通道的分支路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤2）所述的将电力系统抽象为有向加权图网络具体为：

有向加权图网络D中的节点集V={v ₁ , v ₂ , …, v _n }由电力系统中的拓扑节点抽象而成，其中n为节点数；边集B={b ₁ , b ₂ , …, b _m }由输电线路和变压器支路元件抽象而成，其中m为边数，在边的形成过程中，合并两节点间的多回同杆并架支路，不考虑并联导纳支路，以剔除网络的多重边和自环；边的权重为输电线路和变压器支路的有功潮流大小，边的方向与支路有功潮流方向一致；为表示节点间的连接关系，网络的邻接矩阵为A=[a _ij ] _n×n ，其中，对于网络中的任意节点v _i , v _j ∈V，若存在有功潮流由节点v _i 流向节点v _j 的支路，则令a _ij =1，否则a _ij =0。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤3）中：

所述的源节点集S为网络中入度为0的节点，由系统中不含功率注入支路的发电机节点组成；

所述的汇节点集E为网络中出度为0的节点，由系统中不含功率流出支路的负荷节点及联络节点组成；

所述的中间节点集M为网络中入度和出度均不为0的节点。

4.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤4）所述的源节点和汇节点分裂处理具体为：

若源节点s _i 关联k _s 条流出支路，其中k _s ≥2，则将源节点s _i 分裂成s(1) i ,s(2) i,…,s(k _s ) i；若汇节点e _j 关联k _e 条注入支路，其中k _e ≥2，则将汇节点e _j 分裂为e(1) j,e(2) j,…, e(k _e ) j；节点分裂前后各边的权重和方向均保持不变。

5.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤5）所述的求取网络可达矩阵Q的具体方法为：

对于有向加权图网络D={V, B}，可达矩阵Q=[q _ij ] _n×n ，其中，对于网络中的任意节点v _i ,v _j ∈V，若节点v _i 到v _j 可达，则q _ij =1，否则q _ij =0；有向加权图网络D的可达矩阵Q通过邻接矩阵A求取，设矩阵R=A+A ²+…+A ^n-1=[r _ij ] _n×n ，则将矩阵R中的非零元素替换成1而零元素保持不变，变换后的矩阵即为网络的可达矩阵Q；通过求取可达矩阵Q，确定网络中任一源节点s _i 可达的汇节点子集E _i 。

6.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤7）所述的输电通道具体为：

输电通道p _i 定义为网络中源节点子集S _i ⊆S至汇节点子集E _i ⊆E间形成的所有有向路径R _Si,Ei ，对于其中任意的源节点s _t ∈S _i 和汇节点e _t ∈E _i 对s _t ,e _t ，总能找到点对s _u ,e _u ，其中s _u ∈S _i , e _u ∈E _i ，使得有向路径R _st,et 与有向路径R _su,eu 存在路径相交；不同的输电通道由互不相同的源节点子集与汇节点子集构成，任一输电通道为一独立的连通子图，通道中的任一源节点s _t 至任一汇节点e _u 间可能存在多条可达的有向路径；由此，电力系统经有向图抽象和源流分裂形成的有限个独立连通子图集合P={p ₁, p ₂, …}，为电力系统的输电通道集合，表征系统中送端发电区域与受端负荷区域之间的有向输电路径。

7.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤7）所述的输电通道的新增与归并的具体要求为：

搜索源节点s _i 至可达汇节点子集E _i 的全部有向路径R _si,Ei ：

1）若节点v _j ∈有向路径R _si,Ei 均未被遍历，则将该源节点s _i 引出的有向路径R _si,Ei 记为一条新的输电通道p _t ；

2）若存在节点v _j ∈有向路径R _si,Ei 已被输电通道p _u 遍历，则将有向路径R _si,Ei 归并至输电通道p _u ；

当网络源节点集S中的所有节点均完成遍历时，系统的输电通道集合P={p ₁, p ₂, …}完成辨识，各输电通道的源节点子集S _i 和汇节点子集E _i 得到明确。

8.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，步骤8）所述的输电通道的分支路径为：在输电通道路径中间节点处由源节点注入或流出至汇节点的一个或若干个节点组成的支路，表征从电力系统中间路径处注入的发电机功率或流出的负荷。

9.根据权利要求1所述的一种基于实时潮流的输电通道动态辨识方法，其特征在于，所述的输电通道辨识方法，依据电力系统实时潮流进行快速评估分析，辨识出系统中送端区域与受端区域之间的有向输电路径集合所构成的输电通道，使系统得以解耦简化成若干条输电通道，进而评估系统潜在的安全稳定问题。